En 2007, Luciano Marraffini s’est lancé dans une voie alors scientifiquement solitaire : comprendre CRISPR, qui avait été découvert dans des bactéries seulement une décennie auparavant.
Dix-sept ans plus tard, nous savons tous ce qu’est CRISPR : une révolution en médecine ; une percée scientifique unique; l’outil de thérapie génique le plus prometteur jamais découvert. Mais à l’époque, les « courtes répétitions palindromiques regroupées et régulièrement espacées » n’étaient que de curieux fragments génétiques sans objectif connu.
« Quand j’ai commencé, rien n’indiquait que cela aiderait un jour les gens à guérir des maladies génétiques », se souvient Marraffini.
Mais curieusement, une théorie postulait que CRISPR faisait partie du système de défense bactérien, utilisé par les bactéries pour lutter contre les invasions de virus (appelés phages) et de fragments génétiques étrangers (appelés plasmides). Marraffini, alors postdoctorant à la Northwestern University, était un spécialiste des bactéries pathogènes, étudiant comment elles nous envahissent. En se tournant vers CRISPR, il a inversé ce scénario, cherchant à comprendre comment ils réagissent eux-mêmes face à une invasion. Si CRISPR était une arme, il voulait savoir comment elle était forgée et brandie.
Son pivot conceptuel a porté ses fruits : en deux ans, il publierait des découvertes révolutionnaires sur CRISPR et, ce faisant, contribuer à faire œuvre de pionnier dans le domaine émergent de la médecine génomique.
Il s’avère que CRISPR est un scalpel génétique qui coupe l’ADN envahisseur avec une précision remarquable. Comme l’ont montré depuis des recherches révolutionnaires menées par Marraffini et d’autres, la traduction de CRISPR-Cas9 (une protéine essentielle à sa fonctionnalité) chez l’homme permet aux scientifiques de supprimer non pas l’ADN des envahisseurs, mais nos propres accidents génétiques, qui provoquent des maladies.
Ces découvertes ont rapidement porté leurs fruits. Le Royaume-Uni et les États-Unis ont récemment approuvé la première thérapie génique basée sur CRISPR pour le traitement de la drépanocytose, et d’autres approbations sont à venir. Dans l’immédiat, le feu vert pour le traitement de la bêta-thalassémie, une maladie du sang, liée à l’anémie et à une faible croissance, est attendu au printemps 2024. D’autres traitements basés sur CRISPR sont en cours d’évaluation pour la leucémie, les cancers de l’œsophage, du poumon et du col de l’utérus, selon l’étude de Huntington. maladie et autres affections graves.
« Je pense que c’est incroyable », déclare Marraffini, professeur de la famille Kayden de Rockefeller. « La plupart des scientifiques, notamment dans le domaine des sciences biomédicales, espèrent avoir un impact positif sur la société. Je me sens très privilégié d’avoir fait quelque chose qui aidera les gens. »
De la finance à la biotechnologie
Marraffini a été attiré pour la première fois par la science lorsqu’il était enfant à Rosario, en Argentine, où des fictions futuristes comme « Blade Runner » ont éveillé son imagination. Pourtant, au lycée, il a étudié la finance, une voie pratique que ses parents, architecte et professeur, encourageaient.
Mais la perspective d’une carrière dans la gestion financière l’a laissé sans inspiration et, à l’Université de Rosario, il s’est tourné vers des études de biotechnologie. C’était au début des années 90 et les récentes avancées en génétique le fascinaient : en l’espace de quelques années seulement, le projet Génome Humain était lancé, la première carte approximative des 23 paires de chromosomes humains était publiée et la première carte approuvée par le gouvernement fédéral Aux États-Unis, un traitement de thérapie génique a été utilisé avec succès chez une fillette de 4 ans souffrant d’un trouble immunitaire.
Après que Marraffini ait obtenu son diplôme, la société de biotechnologie agricole Monsanto l’a appelé et il y a travaillé pendant quelques années, tentant d’accélérer la sélection végétale grâce à la génétique. Mais cela aussi semblait insatisfaisant.
« Je voulais pouvoir jouer avec certains organismes, faire de la science sans trop de limites », se souvient-il. « Si vous travaillez avec des plantes, vous devez attendre longtemps pour qu’elles se développent. Mais les bactéries se développent très vite. »
C’est ainsi qu’il a obtenu un doctorat. étudiant au laboratoire du célèbre microbiologiste Olaf Schneewind de l’Université de Chicago, où il a étudié comment les envahisseurs bactériens utilisent des protéines et des enzymes pour coloniser nos tissus, échapper à notre système immunitaire et produire des toxines provoquant des maladies. C’est là que CRISPR a retenu son attention.
Clips génétiques
Il a approfondi ses recherches dans le laboratoire d’Erik Sontheimer de l’Université Northwestern, qui étudiait l’interférence ARN (ARNi), un mécanisme cellulaire alors récemment découvert qui utilise la propre séquence d’ADN d’un gène pour faire taire l’expression des gènes. (Plusieurs années auparavant, Thomas Tuschl de Rockefeller avait montré qu’il était possible utiliser l’ARNi dans les cellules humaines.)
« La seule chose que l’ARNi a en commun avec CRISPR est qu’il utilise de petits ARN », explique Marraffini. « C’est pourquoi j’ai contacté Erik. Il a immédiatement vu le potentiel de CRISPR même si son laboratoire n’en avait aucune expertise. »
Marraffini a rapidement découvert un système CRISPR dans l’épidermidis staphylococcique, un membre commun du microbiome cutané humain. Là, cela empêchait les plasmides de se déchaîner. (Les plasmides ont une relation déroutante avec les bactéries ; ils peuvent être à la fois nocifs et bénéfiques.) Cela confirmait que CRISPR faisait effectivement partie du système de défense bactérien. Il lui fallait ensuite découvrir comment il était déployé.
Marraffini a passé l’année suivante à bricoler S. epidermidis et, dans un article de 2008, a révélé que CRISPR utilise l’ARN guide pour détruire l’ADN du plasmide. Ainsi désactivés, ces envahisseurs ne peuvent plus se répliquer.
D’autres recherches ont révélé que le système CRISPR stocke également des clips génétiques de l’envahisseur sous forme de « espaceurs » dans son propre ADN, de sorte que s’il rencontre la même séquence à l’avenir, il puisse activer une réponse immunitaire. CRISPR s’avérerait être un système de défense largement déployé, présent naturellement dans 40 % des bactéries et pratiquement tous les organismes unicellulaires appelés archées.
Mais qu’en est-il du potentiel de CRISPR pour manipuler l’ADN humain ? En 2008, cela semblait aussi science-fiction que les réplicants issus de la bio-ingénierie « Blade Runner » – et pourtant, cela n’était pas hors du domaine du possible, comme Marraffini et Sontheimer l’ont prudemment noté dans l’article révolutionnaire.
« La capacité de diriger la destruction spécifique et adressable de l’ADN », ont-ils écrit, « pourrait avoir une utilité fonctionnelle considérable, surtout si le système peut fonctionner en dehors de son contexte bactérien ou archéen natif ».
Des plasmides aux humains
Peu de temps après, en 2010, Marraffini est arrivé à Rockefeller et a lancé le Laboratoire de Bactériologie, où il a commencé à tester si un système CRISPR pouvait effectivement fonctionner en dehors de son contexte d’origine. Inspiré par Oswald Avery, le chercheur de Rockefeller qui a prouvé que l’ADN est porteur de matériel génétique en utilisant une souche de Streptococcus pneumoniae, Marraffini a coupé le système CRISPR – ainsi que sa protéine d’observation très importante, Cas9 – d’une souche apparentée, Streptococcus pyogenes, et l’a inséré dans S. pneumoniae, qui manquait de système de défense. C’est au sein de cet organisme modifié qu’il a programmé pour la première fois Cas9 pour repérer et découper toute séquence d’ADN ciblée.
En 2012, les futures lauréates du prix Nobel Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier ont clivé l’ADN avec Cas9 dans un tube à essai. Un an plus tard, dans le cadre d’une collaboration fondamentale avec Feng Zhang du Broad Institute, Marraffini a montré qu’il était possible de faire la même chose avec des cellules humaines. Des chercheurs d’autres institutions, dont George Church de Harvard, qui avait développé la première méthode de séquençage génomique direct en 1984, parvenaient à des conclusions similaires.
Depuis lors, Marraffini a continué à faire des découvertes pionnières sur le fonctionnement des différents systèmes CRISPR-Cas, parfois en collaboration avec d’autres laboratoires Rockefeller. Six types et 19 sous-types ont été découverts. Compte tenu de l’extraordinaire diversité des bactéries – et des phages, qui peuvent être 10 fois plus nombreux que les espèces bactériennes – il est probable que d’autres types soient identifiés. Certains de ces systèmes coupent l’ADN des phages ou des plasmides, d’autres l’ARN et d’autres encore une combinaison. Certains n’attaquent pas directement l’envahisseur, mais déclenchent plutôt une mission kamikaze qui détruit la cellule et le phage qui l’accompagne, comme le laboratoire de Marraffini l’a récemment découvert dans une variante.
Son laboratoire travaille également à la découverte et à la caractérisation de nouveaux systèmes de défense anti-phages – des fortifications non CRISPR dans le rempart bactérien. Tout comme CRISPR, ces mécanismes encore inconnus pourraient un jour donner naissance à de nouveaux outils et traitements.
Au-delà du laboratoire
Marraffini est également co-fondateur et conseiller de deux sociétés qui développent directement des thérapies CRISPR-Cas pour traiter diverses maladies. Intellia Therapeutics a des projets en cours pour les maladies du foie, les maladies pulmonaires et deux maladies de la coagulation (hémophilie A et B). Les traitements de deux maladies génétiques rares – l’amylose à transthyrétine, caractérisée par une accumulation d’une protéine générée par le foie, et l’angio-œdème héréditaire, qui provoque des épisodes récurrents de gonflement sévère – font tous deux l’objet d’essais cliniques.
Eligo, quant à lui, cherche à retourner le système de défense bactérien contre lui-même – ou du moins contre d’autres bactéries. « L’objectif est d’utiliser CRISPR pour traiter les infections bactériennes », décrit-il. « De la même manière que CRISPR peut tuer un phage, vous pouvez le programmer pour tuer une bactérie. Ce n’est pas facile à faire, technologiquement parlant, mais c’est ce que nous visons. »
Le meilleur des mondes de l’édition génétique ne relève finalement pas de la science-fiction. C’est juste de la science. « Nous avons si bien réussi à programmer ce système naturel que nous avons pu le mettre en application clinique à une vitesse étonnamment rapide », explique Marraffini. « L’histoire de CRISPR témoigne réellement de l’importance de la recherche fondamentale. »